На главную страницу

Физика

Астрономия

Науки о Земле

Химия

Биология

Медицина

История

Социальные науки

Технология

Психология

Экономика

Разное

Е. Клещенко Читаем днк: в сто раз быстрее, в тысячу раз дешевле Невидимые буквы

С тех пор как стало ясно, что за роль в нашей жизни играет ДНК, она остаётся в центре внимания мировой науки. Биохимики, биофизики, генетики, математики плечом к плечу двинулись на штурм двойной спирали. Ни один древний текст на мёртвом языке, ни одну шпионскую радиограмму не расшифровывали с таким азартом. Ничего удивительного: наградой могут оказаться такие тайны, какие не снились археологам и контрразведчикам. Но и задача куда более сложная.

Алфавит составили сравнительно быстро, найдя соответствия между нуклеотидными триплетами и аминокислотами белков. Этот секрет людям выдали бактерии, которым подсовывали искусственно синтезированные матрицы, а потом наблюдали за процессом „чтения“ — как если бы археолог мог попросить древнего египтянина прочесть вслух иероглифы, переписанные наугад. Сложнее со словарём: очень уж он велик даже у одного отдельно взятого многоклеточного, и нелегко установить значения всех разнообразных буквенных последовательностей, из которых состоит геном. Вдобавок лишь часть генома, кодирующая белки, записана известным нам триплетным кодом, в остальном же геноме действуют совсем другие правила. А ещё, хотя триплетный „алфавит“ практически одинаков у всех живых существ, „диалекты“ могут так сильно различаться, что между родственными генами у эволюционно далёких видов трудно найти сходство без математических методов. Так что Далям и Ожеговым работы хватит надолго.

И ещё одна незначительная деталь: генетическая информация не высечена в камне и не нанесена чернилами на пергамент, а представляет собой последовательность мономеров в биополимере. Простым глазом эти тексты даже не разглядишь. Приходится придумывать методы, по сравнению с которыми технические ухищрения гуманитарного цеха, вроде изучения палимпсестов в ультрафиолетовом свете, — просто милая забава.

Как было до сих пор

Дезоксирибонуклеиновая кислота, как и положено кислоте, в водном растворе даёт анион. Если погрузить в раствор анод и катод, то фрагменты ДНК направятся к плюсу. Если вместо раствора будет гель на водной основе, то скорость фрагментов окажется обратно пропорциональной их длине: маленькие ниточки заскользят через гелевую сетку сравнительно быстро, а длинные будут чаще цепляться и ползти медленней. А поскольку пройденный путь, как известно, равняется скорости, умноженной на время, фрагменты ДНК, которые изначально находились в одной капельке смеси, через некоторое время выстроятся по росту. Метод электрофореза в геле применяется почти всегда, когда требуется рассортировать куски ДНК по длине, от большого к маленькому.

Высоковольтный электрофорез в полиакриламидном геле сделал возможным секвенирование по Сэнгеру — способ чтения ДНК, который оставался самым главным в течение десятилетий (первая публикация — 1977 год), и пока ещё не превзойдён по сочетанию простоты, точности и эффективности. Суть его в следующем: раствор фрагмента, назначенный к прочтению, разделяют на четыре части и в каждой части запускают реакцию полимеризации ДНК, в которой этот фрагмент играет роль матрицы. Помимо нормальных нуклеотидов в смесь добавляют и „тупиковые“, обрывающие синтез цепочки, в каждую из четырёх пробирок какой-нибудь один: А, Т, G или С. Количества реагентов и условия подбирают так, чтобы в каждой пробирке получились все возможные фрагменты: в первой — все, кончающиеся на А, во второй — на Ти так далее. А затем по капле из каждой пробирки помещают в лунки на геле и пропускают через него ток. Через некоторое время новосинтезированные кусочки ДНК разделяются по размеру, располагаясь узкими полосочками. Разумеется, простым глазом они не видны, но учёные выходят из положения, например, с помощью радиоактивной метки и рентгеновской плёнки. Каждая полосочка соответствует одному нуклеотиду. На одной дорожке будут все буквы А, на другой — С и так далее, а по расстояниям от старта можно определить, какая буква за какой следует.

За прошедшие десятилетия метод Сэнгера был творчески развит и автоматизирован, а производство всех необходимых реагентов поставлено на широкую ногу. Другие методы, которые, казалось, могли представлять ему альтернативу (такие, как метод Максама — Гилберта, основанный на специфической деградации ДНК: читаемый фрагмент нарезали таким образом, чтобы получились все возможные куски с окончанием на определённый нуклеотид, а дальше опять-таки ставили электрофорез), не выдержали конкуренции. Зато из секвенирования по Сэнгеру выжали всё возможное: как-никак столько геномов расшифровано, включая наш собственный. Но хочется читать ДНК ещё скорее и дешевле, да притом без потери в точности. И ведь придётся что-нибудь придумать — если мы действительно хотим заниматься медицинской генетикой, изучением биоразнообразия и тому подобными интересными вещами.